本發(fā)明屬于礦用設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多圖像序列的煤礦井下液壓支架組位姿及直線度測量方法。

背景技術(shù)：

液壓支架作為煤礦綜采工作面的重要設(shè)備，其位姿與直線度信息是非常重要的參數(shù)。常采用傾角傳感器、位移傳感器或慣導(dǎo)傳感器測量；其中傾角傳感器對(duì)容易受到加速度的影響，位移傳感器由于是接觸式測量傳感器容易損壞，而慣導(dǎo)傳感器由于累積誤差不能單獨(dú)使用，與其他傳感器融合使用時(shí)其系統(tǒng)比較復(fù)雜成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有制備技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于多圖像序列的煤礦井下液壓支架組位姿與直線度測量方法，解決現(xiàn)有的接觸式測量方法中傳感器易損、系統(tǒng)比較復(fù)雜的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

基于多圖像序列的井下液壓支架組位姿測量方法，包括以下步驟：

步驟一：在液壓支架上安裝方形定位標(biāo)識(shí)板，通過攝像機(jī)采集液壓支架圖像，得到目標(biāo)圖像；

步驟二：對(duì)采集得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行降噪處理，提取降噪處理后圖像中的定位標(biāo)識(shí)；

步驟三：利用感受野細(xì)胞模型對(duì)定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行邊緣直線擬合，得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟四：根據(jù)步驟三得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)的法向量；然后通過式(1)計(jì)算得到定位標(biāo)識(shí)的位姿，即液壓支架的位姿；

其中，為定位標(biāo)識(shí)的單位法向量，θk表示光心坐標(biāo)軸形成的第k個(gè)平面與定位標(biāo)識(shí)平面夾角，k＝1,2,3，θ1為定位標(biāo)識(shí)的俯仰角，θ2為定位標(biāo)識(shí)的偏轉(zhuǎn)角，θ3為定位標(biāo)識(shí)的橫滾角，

進(jìn)一步的，所述的步驟二包括：

步驟2.1：對(duì)采集得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化預(yù)處理；

步驟2.2：利用基于連通分量的方法對(duì)預(yù)處理后的目標(biāo)圖像中的定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行提??；

進(jìn)一步的，步驟三中采用感受野細(xì)胞模型對(duì)定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行邊緣直線擬合，具體步驟為：

步驟3.1：對(duì)定位標(biāo)識(shí)按照設(shè)定的中心間距和大小分布感受野，采用(r*2+1)*(r*2+1)的掩模，r為感受野細(xì)胞半徑，掩模中心與感受野細(xì)胞中心重合；

步驟3.2：利用梯度算子計(jì)算每個(gè)感受野掩模梯度方向，通過掩模梯度方向?qū)γ總€(gè)感受野方向進(jìn)行定性判斷，從而分別劃分出定位標(biāo)識(shí)的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣上分布的感受野細(xì)胞；

步驟3.3：利用感受野模型，計(jì)算上邊緣方向各個(gè)感受野的響應(yīng)值，根據(jù)單個(gè)感受野內(nèi)像素點(diǎn)形成的對(duì)比邊緣位置與感受野中心距離的關(guān)系，確定每個(gè)感受野中心到感受野內(nèi)對(duì)比邊緣到感受野中心的距離，然后利用帶約束的最小二乘法模型擬合出標(biāo)識(shí)板上邊緣所在直線；

步驟3.4：重復(fù)步驟3.3，分別對(duì)定位標(biāo)識(shí)的下邊緣、左邊緣、右邊緣所在直線進(jìn)行擬合；

步驟3.5：根據(jù)擬合的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣四條直線方程，得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，計(jì)算液壓支架的位姿的具體步驟包括；

步驟4.1：根據(jù)步驟三得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)化為圖像坐標(biāo)，很據(jù)圖像坐標(biāo)與光心坐標(biāo)的關(guān)系，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)的法向量；

其中，為定位標(biāo)識(shí)的法向量，a∈i，b∈i，c∈i，a≠b≠c，i＝1,2,3,4；

(xi,yi,zi)為定位標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)的第i個(gè)頂點(diǎn)的光心坐標(biāo)，(xi,yi)為定位標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)的第i個(gè)頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，c為攝像機(jī)的有效焦距；

b1＝x2y3-x4y3+x4y2-x2y4+x3y4-x3y2

b2＝x3y4-x4y3-x1y4+x4y1+x1y3-x3y1

b3＝x1y2-x4y2-x2y1-x1y4+x4y1+x2y4

b4＝x3y2-x2y3+x1y3+x2y1-x1y2-x3y1

其中，l為長方形定位標(biāo)識(shí)的長邊邊長或正方形定位標(biāo)識(shí)的邊長；

步驟4.2：通過式(1)計(jì)算得到定位標(biāo)識(shí)的位姿，即液壓支架的位姿，

其中，為定位標(biāo)識(shí)的單位法向量，θk表示光心坐標(biāo)軸形成的第k個(gè)平面與定位標(biāo)識(shí)平面夾角，k＝1,2,3，θ1為定位標(biāo)識(shí)的俯仰角，θ2為定位標(biāo)識(shí)的偏轉(zhuǎn)角，θ3為定位標(biāo)識(shí)的橫滾角，

基于多圖像序列的井下液壓支架組直線度測量方法，該方法對(duì)n個(gè)液壓支架的直線度進(jìn)行測量，每個(gè)液壓支架上連接有一個(gè)刮板，巡檢機(jī)器人沿著刮板運(yùn)動(dòng)，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：在每個(gè)液壓支架上安裝方形定位標(biāo)識(shí)板，所述的定位標(biāo)識(shí)板位于液壓支架的相同位置上，當(dāng)巡檢機(jī)器人行走到每節(jié)刮板末端、每節(jié)刮板與液壓支架的連接處時(shí)分別采集圖像；

步驟二：對(duì)采集得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行降噪處理，提取降噪處理后圖像中的定位標(biāo)識(shí)；

步驟三：利用感受野細(xì)胞模型對(duì)每個(gè)定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行邊緣直線擬合，得到每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟四：根據(jù)步驟三得到每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

步驟五：計(jì)算液壓支架組的直線度；

步驟5.1：計(jì)算每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

βk＝θk-γk(7)

其中，pji代表p(xji,yji,zji)，p(xji,yji,zji)為第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第i個(gè)頂點(diǎn)在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，表示為第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第i個(gè)頂點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，i＝1,2,3,4，n＝2,3,4…,n；

βk為相鄰刮板之間的夾角，k＝1,2,...,n-1，n為標(biāo)識(shí)板的個(gè)數(shù)，為第k+1個(gè)定位標(biāo)識(shí)板的第i個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，i為定位標(biāo)識(shí)板四個(gè)頂點(diǎn)中的任意一個(gè)；lk為第k個(gè)刮板末端與第k+1個(gè)定位標(biāo)識(shí)板之間在光心坐標(biāo)系中的投影距離，lk為第k+1個(gè)刮板末端與第k+1個(gè)定位標(biāo)識(shí)板之間在光心坐標(biāo)系中的投影距離，l0為每節(jié)刮板的長度；

步驟5.2：取所有定位標(biāo)識(shí)的頂點(diǎn)在xoz平面上對(duì)這些頂點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，得到一條直線，液壓支架的直線度h為：

其中，l為攝像機(jī)的第一個(gè)拍攝點(diǎn)和最后一個(gè)拍攝點(diǎn)的直線距離，dj為頂點(diǎn)與擬合直線之間距離，取擬合直線兩側(cè)的最大距離分別為dmax1和dmax2，b＝dmax1+dmax2。

進(jìn)一步的，所述的步驟二包括：

步驟2.1：對(duì)采集得到的每幀目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化預(yù)處理；

步驟2.2：利用基于連通分量的方法對(duì)預(yù)處理后的目標(biāo)圖像中的定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行提??；

進(jìn)一步的，步驟三中采用感受野細(xì)胞模型對(duì)每個(gè)定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行邊緣直線擬合，具體步驟為：

步驟3.1：對(duì)第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)按照設(shè)定的中心間距和大小分布感受野，采用(r*2+1)*(r*2+1)的掩模，r為感受野細(xì)胞半徑，掩模中心與感受野細(xì)胞中心重合；

步驟3.2：利用梯度算子計(jì)算每個(gè)感受野掩模梯度方向，通過掩模梯度方向?qū)γ總€(gè)感受野方向進(jìn)行定性判斷，從而分別劃分出定位標(biāo)識(shí)的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣上分布的感受野細(xì)胞；

步驟3.3：利用感受野模型，計(jì)算上邊緣方向各個(gè)感受野的響應(yīng)值，根據(jù)單個(gè)感受野內(nèi)像素點(diǎn)形成的對(duì)比邊緣位置與感受野中心距離的關(guān)系，確定每個(gè)感受野中心到感受野內(nèi)對(duì)比邊緣到感受野中心的距離，然后利用帶約束的最小二乘法模型擬合出標(biāo)識(shí)板上邊緣所在直線；

步驟3.4：重復(fù)步驟3.3，分別對(duì)定位標(biāo)識(shí)的下邊緣、左邊緣、右邊緣所在直線進(jìn)行擬合；

步驟3.5：根據(jù)擬合的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣四條直線方程，得到第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟3.6：重復(fù)步驟3.1～步驟3.5，得到所有定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，所述的步驟四中第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第i個(gè)頂點(diǎn)在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)p(xji,yji,zji)，i＝1,2,3,4，通過式(2)進(jìn)行計(jì)算：

bj1＝xj2yj3-xj4yj3+xj4yj2-xj2yj4+xj3yj4-xj3yj2

bj2＝xj3yj4-xj4yj3-xj1yj4-xj4yj1+xj1yj3-xj3yj1

bj3＝xj1yj2-xj4yj2-xj2yj1-xj1yj4+xj4yj1-xj2yj4

bj4＝xj3yj2-xj2yj3+xj1yj3-xj2yj1-xj1yj2-xj3yj1

其中，lj為第j個(gè)長方形定位標(biāo)識(shí)的長邊邊長或正方形定位標(biāo)識(shí)的邊長，(xji,yji)為步驟三得到的定位標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，c為攝像機(jī)的有效焦距。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用視覺技術(shù)測量液壓支架的位姿，能夠自動(dòng)檢測出每架液壓支架的位姿，同時(shí)能夠檢測工作面中液壓支架的直線度，為煤礦井下液壓支架的自動(dòng)調(diào)制和綜采工作面的自動(dòng)化智能化提供了必要的技術(shù)支持，保障工作面的安全運(yùn)行，減少了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的液壓支架測量方法流程圖。

圖2為本發(fā)明方法采集的圖像及其處理后的圖像，(a)原始圖像，(b)二值化預(yù)處理后的圖像，(c)提取的定位標(biāo)識(shí)。

圖3本發(fā)明方法測量得到的液壓支架組的擬合直線。

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明首先對(duì)文中使用的坐標(biāo)系作以說明：

光心坐標(biāo)系(相機(jī)坐標(biāo)系)：以相機(jī)的光心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸、y軸分別平行于ccd平面的兩條垂直邊，z軸與相機(jī)的光軸重合；圖像坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)在ccd圖像平面的中心，x軸、y軸分別平行于ccd平面的兩條垂直邊；像素坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)在ccd圖像平面的左上角，u軸、v軸分別平行于圖像坐標(biāo)的x軸、y軸；世界坐標(biāo)系：以第一個(gè)液壓支架與刮板的連接處為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸平行于第一節(jié)刮板，z軸垂直于第一節(jié)刮板，指向第一個(gè)液壓支架，y軸垂直向下。

本發(fā)明的基于多圖像序列的井下液壓支架組位姿測量方法，包括以下步驟：

步驟一：在液壓支架安置方形定位標(biāo)識(shí)，在沿與工作面平行方向移動(dòng)的巡檢機(jī)器人上安裝攝像機(jī)，并通過固定安裝在巡檢機(jī)器人上的攝像機(jī)采集液壓支架圖像，得到目標(biāo)圖像；

步驟二：對(duì)采集得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行降噪處理，提取預(yù)處理后圖像中的定位標(biāo)識(shí)；

步驟2.1：對(duì)采集得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化預(yù)處理；

步驟2.2：利用基于連通分量的方法對(duì)預(yù)處理后的目標(biāo)圖像中的定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行提取；

步驟三：對(duì)定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行邊緣直線擬合，得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟3.1：對(duì)定位標(biāo)識(shí)按照設(shè)定的中心間距和大小分布感受野，采用(r*2+1)*(r*2+1)的掩模，r為感受野細(xì)胞半徑，掩模中心與感受野細(xì)胞中心重合；

步驟3.2：利用梯度算子計(jì)算每個(gè)感受野掩模梯度方向；

通過掩模梯度方向?qū)γ總€(gè)感受野方向進(jìn)行定性判斷，從而分別劃分出定位標(biāo)識(shí)的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣上分布的感受野細(xì)胞；

步驟3.3：利用感受野模型，計(jì)算上邊緣方向各個(gè)感受野的響應(yīng)值s，

s＝s1-s2(2)

其中，σd＝rd/4，σs＝rs/4；rd和rs分別表示感受野的中心區(qū)和外周區(qū)(也包含中心區(qū)的大圓)的半徑，h(u,v,η)表示對(duì)比刺激覆蓋率為η時(shí)，位于像素(u,v)的像素點(diǎn)刺激強(qiáng)度，對(duì)于二值圖像中像素值為255的點(diǎn)取值為1，像素值為0的點(diǎn)取值為0；

s1為感受野中心區(qū)響應(yīng)值，s2為感受野周邊區(qū)域的響應(yīng)值，dl為位于感受野中心區(qū)的像素點(diǎn)，se為位于感受野周邊區(qū)域的像素點(diǎn)，l＝0,1,2,...,f，e＝1,2,...,m，f為位于感受野中心區(qū)的像素點(diǎn)，m為位于感受野周邊區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

根據(jù)單個(gè)感受野內(nèi)像素點(diǎn)形成的對(duì)比邊緣位置與感受野中心距離的關(guān)系，確定每個(gè)感受野中心到感受野內(nèi)擬合對(duì)比邊緣的距離dh，h＝1,2,...,n，其中n表示感受野細(xì)胞個(gè)數(shù)。

假設(shè)邊緣所在直線方程(a,b)(u,v)^t+c＝0，根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式：

其中，(uh,vh)為感受野中心在像素坐標(biāo)系上的坐標(biāo)點(diǎn)。

利用帶約束的最小二乘法模型對(duì)該邊緣所在直線進(jìn)行擬合；

其中，l(a,b,c,λ)表示拉格朗日函數(shù)，λ為參數(shù)；a，b，c為擬合的邊緣所在直線方程系數(shù)，u、v均表示由感受野細(xì)胞中心的像素坐標(biāo)組成的n*1矩陣，d表示dh組成的n*1矩陣；

在約束條件a²+b²＝1下，找到a，b，c最優(yōu)解(a^*,b^*,c^*)；

步驟3.4：重復(fù)步驟3.3，分別對(duì)定位標(biāo)識(shí)的下邊緣、左邊緣、右邊緣所在直線進(jìn)行擬合；

步驟3.5：根據(jù)擬合的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣四條直線方程，得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟四：計(jì)算定位標(biāo)識(shí)的位姿，即液壓支架的位姿；

步驟4.1：根據(jù)步驟三得到定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)化為圖像坐標(biāo)，根據(jù)圖像坐標(biāo)與光心坐標(biāo)的關(guān)系，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)的法向量；在計(jì)算法向量過程中，選擇定位標(biāo)識(shí)其中三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，通過三個(gè)頂點(diǎn)形成的向量即可確定定位標(biāo)識(shí)所在空間平面，從而求得其法向量

其中，為定位標(biāo)識(shí)的法向量，a∈i，b∈i，c∈i，a≠b≠c，i＝1,2,3,4；

(xi,yi,zi)為定位標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)的第i個(gè)頂點(diǎn)的光心坐標(biāo)，(xi,yi)為定位標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)的第i個(gè)頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，c為攝像機(jī)的有效焦距；

b1＝x2y3-x4y3+x4y2-x2y4+x3y4-x3y2

b2＝x3y4-x4y3-x1y4+x4y1+x1y3-x3y1

b3＝x1y2-x4y2-x2y1-x1y4+x4y1+x2y4

b4＝x3y2-x2y3+x1y3+x2y1-x1y2-x3y1

其中，l為長方形定位標(biāo)識(shí)的長邊邊長或正方形定位標(biāo)識(shí)的邊長；

步驟4.2：通過式(1)計(jì)算得到每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的位姿，即液壓支架的位姿，其中，液壓支架的位姿通過偏轉(zhuǎn)角、橫滾角和仰俯角來表示；

其中，為定位標(biāo)識(shí)的單位法向量，θk表示光心坐標(biāo)軸形成的第k個(gè)平面與定位標(biāo)識(shí)平面夾角，k＝1,2,3，θ1為定位標(biāo)識(shí)的俯仰角，即繞光心坐標(biāo)系的x軸旋轉(zhuǎn)的角度，θ2為定位標(biāo)識(shí)的偏轉(zhuǎn)角，即繞光心坐標(biāo)系的y軸旋轉(zhuǎn)的角度，θ3為定位標(biāo)識(shí)的橫滾角，即繞光心坐標(biāo)系的z軸旋轉(zhuǎn)的角度，

本發(fā)明還包括液壓支架組的直線度計(jì)算方法，該方法中包括n個(gè)液壓支架，每個(gè)液壓支架上連接有一個(gè)刮板，所述的刮板首尾相接，巡檢機(jī)器人沿著刮板運(yùn)動(dòng)，具體包括：

步驟一：在每個(gè)液壓支架上安裝方形定位標(biāo)識(shí)板，所述的定位標(biāo)識(shí)板位于液壓支架的相同位置上，在沿與工作面平行方向移動(dòng)的巡檢機(jī)器人上安裝攝像機(jī)，當(dāng)巡檢機(jī)器人行走到每節(jié)刮板末端、每節(jié)刮板與液壓支架的連接處時(shí)分別拍攝圖像，得到目標(biāo)圖像；

步驟二：對(duì)采集得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行降噪處理，提取降噪處理后圖像中的定位標(biāo)識(shí)；

步驟2.1：對(duì)采集得到的每幀目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化預(yù)處理；

步驟2.2：利用基于連通分量的方法對(duì)預(yù)處理后的目標(biāo)圖像中的定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行提取；

步驟三：對(duì)每個(gè)定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行邊緣直線擬合，得到每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟3.1：對(duì)第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)按照設(shè)定的中心間距和大小分布感受野，采用(r*2+1)*(r*2+1)的掩模，j＝1,2,…,n，n為定位標(biāo)識(shí)板的個(gè)數(shù)，r為感受野細(xì)胞半徑，掩模中心與感受野細(xì)胞中心重合；

步驟3.2：利用梯度算子計(jì)算每個(gè)感受野掩模梯度方向；

通過掩模梯度方向?qū)γ總€(gè)感受野方向進(jìn)行定性判斷，從而分別劃分出定位標(biāo)識(shí)的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣上分布的感受野細(xì)胞；

步驟3.3：利用感受野模型，計(jì)算上邊緣方向各個(gè)感受野的響應(yīng)值s，

s＝s1-s2(2)

其中，σd＝rd/4，σs＝rs/4；rd和rs分別表示感受野的中心區(qū)和外周區(qū)(也包含中心區(qū)的大圓)的半徑，h(u,v,η)表示對(duì)比刺激覆蓋率為η時(shí)，位于像素(u,v)的像素點(diǎn)刺激強(qiáng)度，對(duì)于二值圖像中像素值為255的點(diǎn)取值為1，像素值為0的點(diǎn)取值為0；

s1為感受野中心區(qū)響應(yīng)值，s2為感受野周邊區(qū)域的響應(yīng)值，dl為位于感受野中心區(qū)的像素點(diǎn)，se為位于感受野周邊區(qū)域的像素點(diǎn)，l＝0,1,2,...,f，e＝1,2,...,m，f為位于感受野中心區(qū)的像素點(diǎn)，m為位于感受野周邊區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

根據(jù)單個(gè)感受野內(nèi)像素點(diǎn)形成的對(duì)比邊緣位置與感受野中心距離的關(guān)系，確定每個(gè)感受野中心到感受野內(nèi)擬合對(duì)比邊緣的距離dh，h＝1,2,...,n，其中n表示感受野細(xì)胞個(gè)數(shù)。

假設(shè)邊緣所在直線方程(a,b)(u,v)^t+c＝0，根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式：

其中，(uh，vh)為感受野中心在像素坐標(biāo)系上的坐標(biāo)點(diǎn)。

利用帶約束的最小二乘法模型對(duì)該邊緣所在直線進(jìn)行擬合；

其中，l(a,b,c,λ)表示拉格朗日函數(shù)，λ為參數(shù)；a，b，c為擬合的邊緣所在直線方程系數(shù)，u、v均表示由感受野細(xì)胞中心的像素坐標(biāo)組成的n*1矩陣，d表示dh組成的n*1矩陣；

在約束條件a²+b²＝1下，找到a，b，c最優(yōu)解(a^*,b^*,c^*)；

步驟3.4：重復(fù)步驟3.3，分別對(duì)定位標(biāo)識(shí)的下邊緣、左邊緣、右邊緣所在直線進(jìn)行擬合；

步驟3.5：根據(jù)擬合的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣四條直線方程，得到第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟3.6：重復(fù)步驟3.1～步驟3.5，得到所有定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟四：根據(jù)步驟三得到每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第i個(gè)頂點(diǎn)在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)p(xji,yji,zji)，i＝1,2,3,4，通過式(2)進(jìn)行計(jì)算：

bj1＝xj2yj3-xj4yj3+xj4yj2-xj2yj4+xj3yj4-xj3yj2

bj2＝xj3yj4-xj4yj3-xj1yj4-xj4yj1+xj1yj3-xj3yj1

bj3＝xj1yj2-xj4yj2-xj2yj1-xj1yj4+xj4yj1-xj2yj4

bj4＝xj3yj2-xj2yj3+xj1yj3-xj2yj1-xj1yj2-xj3yj1

其中，lj為第j個(gè)長方形定位標(biāo)識(shí)的長邊邊長或正方形定位標(biāo)識(shí)的邊長，(xji,yji)為步驟三得到的定位標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，c為攝像機(jī)的有效焦距。

步驟五：計(jì)算液壓支架組的直線度；

步驟5.1：將上述得到的光心坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

βk＝θk-γk(7)

其中，pji表示p(xji,yji,zji)，為第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第i個(gè)頂點(diǎn)在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，表示為第j個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第i個(gè)頂點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，i＝1,2,3,4，n＝2,3,4…,n；

βk為相鄰刮板之間的夾角，k＝1,2,...,n-1，n為標(biāo)識(shí)板的個(gè)數(shù)，為第k+1個(gè)標(biāo)識(shí)板的第i個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，i為定位標(biāo)識(shí)板四個(gè)頂點(diǎn)中的任意一個(gè)；lk為第k個(gè)刮板末端與第k+1個(gè)定位標(biāo)識(shí)板之間在光心坐標(biāo)系中的投影距離，lk為第k+1個(gè)刮板末端與第k+1個(gè)定位標(biāo)識(shí)板之間在光心坐標(biāo)系中的投影距離，l0為每節(jié)刮板的長度；

步驟5.2：取所有定位標(biāo)識(shí)的頂點(diǎn)在xoz平面上對(duì)這些頂點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法直線擬合，得到一條直線，分布在擬合直線兩側(cè)，求頂點(diǎn)與該直線之間距離dj，取擬合直線上方最大距離為dmax1，擬合直線下方最大距離為dmax2，b＝dmax1+dmax2，則液壓支架的直線度h為：

其中，l為攝像機(jī)的第一個(gè)拍攝點(diǎn)和最后一個(gè)拍攝點(diǎn)的直線距離。

以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的一種基于多圖像序列的井下液壓支架組位姿測量方法，包括：在一個(gè)液壓支架上安置正方形定位標(biāo)識(shí)，在沿與工作面平行方向移動(dòng)的巡檢機(jī)器人上固定安裝攝像機(jī)，沿巡檢路徑對(duì)煤礦井下一定范圍內(nèi)的液壓支架圖像進(jìn)行采集，得到多幅目標(biāo)圖像序列。

將采集到的一副圖像進(jìn)行說明，圖2為采集到的第一幅圖像，此時(shí)其液壓支架的實(shí)際位姿為：偏轉(zhuǎn)角度為7°，橫滾角度為2°，俯仰角度為10°；

對(duì)采集得到的每幀目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化預(yù)處理，處理結(jié)果如圖2(a)所示；提取二值化預(yù)處理后的液壓支架圖像中的連通分量；利用連通分量的長短軸比和面積信息提取與分割液壓支架圖像中的定位標(biāo)識(shí)，提取后的圖像如圖2(b)；

利用梯度算子計(jì)算每個(gè)感受野掩模梯度方向，通過梯度方向，對(duì)每個(gè)感受野方向進(jìn)行定性判斷，從而分別劃分出定位標(biāo)識(shí)上任一邊緣上分布的感受野細(xì)胞，如圖2(c)所示；利用感受野模型，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)邊緣方向各個(gè)感受野的響應(yīng)值，根據(jù)單個(gè)感受野內(nèi)像素點(diǎn)形成的對(duì)比邊緣位置與感受野中心距離的關(guān)系，確定每個(gè)感受野中心到感受野內(nèi)擬合對(duì)比邊緣的距離；

利用帶約束的最小二乘法模型對(duì)該邊緣所在直線進(jìn)行擬合；根據(jù)擬合的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣四條直線方程，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)圖像中定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

利用成像模型和四個(gè)頂點(diǎn)的像素坐標(biāo)，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；通過光心坐標(biāo)確定定位標(biāo)識(shí)的法向量；最后得到該液壓支架的位姿為偏轉(zhuǎn)角度為6.7879°，橫滾角度為2.0412°，俯仰角度為10.1120°，該角度與液壓支架實(shí)際的位姿比較接近。

實(shí)施例2

本實(shí)施例給出一種基于多圖像序列的井下液壓支架組直線度測量方法，該方法對(duì)5個(gè)液壓支架進(jìn)行測量，實(shí)際這5個(gè)液壓支架組的直線度為4.022mm/m。

以下通過本發(fā)明方法計(jì)算：在每個(gè)液壓支架相同位置安置正方形定位標(biāo)識(shí)，在沿與工作面平行方向移動(dòng)的巡檢機(jī)器人上固定安裝攝像機(jī)，當(dāng)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至每個(gè)液壓支架與刮板連接處采集圖像，得到多幅目標(biāo)圖像序列。

將其中采集到的一副圖像進(jìn)行說明，圖2為采集到的第一幅圖像；對(duì)采集得到的每幀目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化預(yù)處理，處理結(jié)果如圖2(a)所示；提取二值化預(yù)處理后的液壓支架圖像中的連通分量；利用連通分量的長短軸比和面積信息提取與分割液壓支架圖像中的定位標(biāo)識(shí)，提取后的圖像如圖2(b)；

利用梯度算子計(jì)算每個(gè)感受野掩模梯度方向，通過梯度方向，對(duì)每個(gè)感受野方向進(jìn)行定性判斷，從而分別劃分出定位標(biāo)識(shí)上任一邊緣上分布的感受野細(xì)胞，如圖2(c)所示；利用感受野模型，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)邊緣方向各個(gè)感受野的響應(yīng)值，根據(jù)單個(gè)感受野內(nèi)像素點(diǎn)形成的對(duì)比邊緣位置與感受野中心距離的關(guān)系，確定每個(gè)感受野中心到感受野內(nèi)擬合對(duì)比邊緣的距離；利用帶約束的最小二乘法模型對(duì)該邊緣所在直線進(jìn)行擬合；根據(jù)擬合的上邊緣、下邊緣、左邊緣和右邊緣四條直線方程，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)圖像中定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

利用成像模型和四個(gè)頂點(diǎn)的像素坐標(biāo)，計(jì)算定位標(biāo)識(shí)的四個(gè)頂點(diǎn)在光心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；將其轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，取每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第一個(gè)頂點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。利用得到的坐標(biāo)，進(jìn)行最小二乘擬合法，擬合出在xoz平面內(nèi)的直線如圖3，圖3中o1～o5所在的曲線表示刮板的軌跡，即巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，虛線部分為液壓支架組在xoz平面內(nèi)坐標(biāo)q1～q5擬合得到的直線；計(jì)算出每個(gè)定位標(biāo)識(shí)的第一個(gè)頂點(diǎn)到該直線的距離，最大距離即為液壓支架組的直線度，最后得到前五個(gè)液壓支架的直線度為4.326mm/m?？梢钥闯?，本發(fā)明方法測出的直線度與液壓支架組實(shí)際的直線度較為接近。